ARM單片機(jī)的語(yǔ)音識(shí)別在智能垃圾桶設(shè)計(jì)中應(yīng)用

西北民族大學(xué) 齊 彥

隨著人們生活水平日益提高，垃圾的排放量也在增加。我們都知道，垃圾是放錯(cuò)位置的資源，為了實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，垃圾分類(lèi)就成為當(dāng)下的一個(gè)重要課題。要想解決這一問(wèn)題，可從兩方面著手：一是通過(guò)各種形式的宣傳和教育，提高人們對(duì)于垃圾分類(lèi)的自覺(jué)意識(shí)；二是要從設(shè)施上著手，讓人們?cè)谕斗爬鴷r(shí)可以輕松并準(zhǔn)確無(wú)誤的將垃圾進(jìn)行分類(lèi)投放。傳統(tǒng)的分類(lèi)垃圾桶并不能很好的解決這一問(wèn)題，為了可以在較短的時(shí)間內(nèi)解決這一問(wèn)題，本次研究主要是從設(shè)施上入手，研發(fā)一款語(yǔ)音識(shí)別智能垃圾桶，只要說(shuō)出垃圾的名稱(chēng)，對(duì)應(yīng)的垃圾桶蓋將自動(dòng)打開(kāi)并語(yǔ)音提示所丟垃圾的種類(lèi)，這樣便可以在源頭上解決垃圾分類(lèi)問(wèn)題。

隨著垃圾排放量增加，垃圾處理工作愈發(fā)艱難，在垃圾分類(lèi)處理的過(guò)程中也暴露了諸多的問(wèn)題，小的問(wèn)題累加到一起就會(huì)出現(xiàn)難以解決的大問(wèn)題。垃圾桶是垃圾處理的第一道程序，也是發(fā)生問(wèn)題最多的所在。為此，我們對(duì)蘭州市垃圾桶進(jìn)行了調(diào)研，也對(duì)蘭州部分市民進(jìn)行了采訪。綜合調(diào)研采訪結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了諸多垃圾處理的問(wèn)題，因而我們研發(fā)了一款語(yǔ)音識(shí)別智能垃圾桶，很好的解決了傳統(tǒng)垃圾桶的諸多不足之處，旨在從源頭上解決垃圾處理問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)垃圾桶的不足

（1）傳統(tǒng)意義上的垃圾桶是沒(méi)有垃圾分類(lèi)這一概念的，所有的垃圾都丟進(jìn)一個(gè)垃圾桶是絕大多數(shù)人們的習(xí)慣。直到現(xiàn)在，雖然分類(lèi)垃圾桶已經(jīng)出現(xiàn)，但是傳統(tǒng)的垃圾桶依然存在特別是在農(nóng)村地區(qū)。經(jīng)調(diào)查，原因主要是農(nóng)村里大多數(shù)都是老年人，文化水平普遍不高，他們很難準(zhǔn)確判斷垃圾的種類(lèi)，所以即使有分類(lèi)垃圾桶，依然不能解決垃圾分類(lèi)問(wèn)題。

（2）傳統(tǒng)的分類(lèi)垃圾桶，雖然也有多個(gè)桶用來(lái)分別裝不同種類(lèi)的垃圾，但是由于各種原因，人們很少會(huì)將垃圾放入指定的垃圾桶內(nèi)。在快節(jié)奏的城市生活中，人們不愿意花時(shí)間在區(qū)分垃圾的種類(lèi)上，所以無(wú)論是什么垃圾都丟到了距離自己最近的垃圾桶內(nèi)。有的人或許有垃圾分類(lèi)的意識(shí)，但是可能對(duì)自己要丟的垃圾的種類(lèi)并不清楚，不得已只好隨便丟。所以，雖然垃圾桶已經(jīng)發(fā)展進(jìn)步，但是依然無(wú)法解決垃圾分類(lèi)問(wèn)題，這樣將給垃圾處理帶來(lái)困難。

（3）當(dāng)下垃圾桶的種類(lèi)很多，但是很多垃圾桶是沒(méi)有蓋子的，某些傳統(tǒng)的分類(lèi)垃圾桶也不例外。很多垃圾帶有強(qiáng)烈的刺激性氣味，時(shí)間放久了也會(huì)有異味。如果垃圾桶沒(méi)有蓋子，這些異味將會(huì)對(duì)空氣造成污染。有些垃圾桶雖帶有蓋子，但是由于垃圾桶長(zhǎng)時(shí)間存放垃圾，垃圾桶蓋子上也附著有大量的細(xì)菌。當(dāng)人們打開(kāi)蓋子丟垃圾，有可能會(huì)沾染細(xì)菌導(dǎo)致生病。

（4）傳統(tǒng)的垃圾桶多數(shù)是帶有蓋子的，而且絕大多數(shù)垃圾桶是不透明的，這樣工作人員很難判斷垃圾桶內(nèi)的垃圾是否已滿(mǎn)需要處理。所以，大多數(shù)場(chǎng)所的工作人員是按照固定時(shí)間來(lái)清理垃圾桶內(nèi)的垃圾的，這樣將會(huì)導(dǎo)致工作人員在規(guī)定時(shí)間處理垃圾時(shí)，有的垃圾桶內(nèi)垃圾很少不用處理，有的垃圾桶內(nèi)垃圾已滿(mǎn)甚至溢出，已經(jīng)對(duì)環(huán)境造成了污染，這樣導(dǎo)致工作人員很難高效的對(duì)已滿(mǎn)的垃圾桶進(jìn)行處理。

2 智能語(yǔ)音識(shí)別垃圾桶的特點(diǎn)

（1）我們研發(fā)的語(yǔ)音識(shí)別智能垃圾桶在傳統(tǒng)的分類(lèi)垃圾桶的基礎(chǔ)上增加了語(yǔ)音識(shí)別功能，當(dāng)我們對(duì)垃圾桶說(shuō)出所丟垃圾的名稱(chēng)時(shí)，垃圾桶會(huì)根據(jù)垃圾的名稱(chēng)自動(dòng)判斷出垃圾的種類(lèi)，然后將對(duì)應(yīng)的垃圾桶的蓋子打開(kāi)供我們丟垃圾，這樣就很好地解決了垃圾分類(lèi)問(wèn)題。這款語(yǔ)音識(shí)別智能垃圾桶適用于各種場(chǎng)合，適用于不同的人群，即使不知道垃圾的種類(lèi)也不會(huì)將垃圾丟錯(cuò)，這樣就方便了工作人員對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)處理，同時(shí)也可以在源頭上解決垃圾分類(lèi)問(wèn)題。

（2）這款語(yǔ)音識(shí)別智能垃圾桶還添加了語(yǔ)音播報(bào)功能，在識(shí)別出我們所丟垃圾的種類(lèi)后，還會(huì)自動(dòng)播報(bào)一條語(yǔ)音提示，來(lái)告訴我們所丟垃圾的種類(lèi)。這種設(shè)計(jì)不但給我們科普了垃圾種類(lèi)的知識(shí)，而且實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話，十分親民。

（3）這款語(yǔ)音識(shí)別智能垃圾桶在識(shí)別出垃圾的種類(lèi)后會(huì)自動(dòng)打開(kāi)對(duì)應(yīng)垃圾桶的蓋子，當(dāng)垃圾丟進(jìn)垃圾桶以后垃圾桶的蓋子會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，防止垃圾桶內(nèi)的異味擴(kuò)散到空氣中。在丟垃圾的過(guò)程中全程不需要接觸垃圾桶，這樣垃圾桶上附著的細(xì)菌就無(wú)法沾染到人身上，間接保護(hù)了人體。

（4）這款語(yǔ)音識(shí)別智能垃圾桶還有自動(dòng)檢測(cè)功能，可以檢測(cè)到垃圾桶內(nèi)的垃圾是否已滿(mǎn)。如果檢測(cè)到垃圾桶內(nèi)垃圾已滿(mǎn)，在垃圾桶上裝有的垃圾已滿(mǎn)指示燈將會(huì)亮起來(lái)；此時(shí)，再識(shí)別到垃圾后，垃圾桶的蓋子將不會(huì)打開(kāi)，直到工作人員將垃圾桶內(nèi)垃圾處理完才能正常使用，這樣方便了工作人員觀察垃圾內(nèi)的垃圾是否已滿(mǎn)，提高了工作人員的工作效率。

3 智能語(yǔ)音識(shí)別垃圾桶設(shè)計(jì)框圖（如圖1所示）

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 ARM單片機(jī)

ARM單片機(jī)采用了新型的32位ARM核處理器，使其在指令系統(tǒng)、總線結(jié)構(gòu)、調(diào)試技術(shù)、功耗以及性?xún)r(jià)比等方面都超過(guò)了傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)；同時(shí)，ARM單片機(jī)在芯片內(nèi)部集成了大量的片內(nèi)外設(shè)，所以功能和可靠性都大大提高。

圖1 智能語(yǔ)音識(shí)別垃圾桶設(shè)計(jì)框圖

ARM單片機(jī)具有統(tǒng)一和固定長(zhǎng)度的指令域，使指令集和指令譯碼都大大簡(jiǎn)化。其具有一個(gè)大而統(tǒng)一的寄存器文件，大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成，使指令執(zhí)行速度更快。用加載/存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)處理時(shí)只對(duì)寄存器操作而不直接對(duì)存儲(chǔ)器操作，尋址方式簡(jiǎn)單而靈活，所有加載/存儲(chǔ)的地址都只由寄存器的內(nèi)容和指令域決定，執(zhí)行效率高。每一條數(shù)據(jù)處理指令都對(duì)算術(shù)邏輯單元和移位寄存器進(jìn)行控制，以最大限度的提高算術(shù)邏輯單元和移位寄存器的利用率。采用自動(dòng)增減地址的尋址方式，有利于優(yōu)化循環(huán)程序的執(zhí)行；引入多寄存器加載/存儲(chǔ)指令，有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)吞吐量的最大化。

4.2 REC-V2語(yǔ)音識(shí)別模塊

REC-V2語(yǔ)音識(shí)別模塊采用非特定人（SI）的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，對(duì)識(shí)別聲音沒(méi)有特殊要求，可以識(shí)別中文普通話、地方方言、外語(yǔ)等。本模塊具有顯著的抗噪性能，在30dB以下基本上能夠完全識(shí)別；在30dB到50dB的較吵的環(huán)境中，也能保持90%以上的識(shí)別率。

板載FLASH存儲(chǔ)器，無(wú)需SD/TF卡即可完成語(yǔ)音識(shí)別。語(yǔ)音應(yīng)答設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展2GB TF卡，可以任意增加或者修改提示音，提示音可以為短語(yǔ)、歌曲以及各種聲音等，可做一問(wèn)一答的語(yǔ)音應(yīng)答。所有語(yǔ)音均可由IDE軟件迅速下載，具備很好的實(shí)時(shí)性，在語(yǔ)音結(jié)束0.5s內(nèi)即可得到識(shí)別答案。

4.3 光電開(kāi)關(guān)模塊

光電開(kāi)關(guān)是傳感器的一種，它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。由于光電開(kāi)關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的（即電絕緣），所以它可以在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用。采用集成電路技術(shù)和SMT表面安裝工藝而制造的新一代光電開(kāi)關(guān)器件，具有延時(shí)、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能。

4.4 舵機(jī)

舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)，在高檔遙控玩具（如飛機(jī)、潛艇模型、遙控機(jī)器人等）中已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。舵機(jī)的控制信號(hào)實(shí)際上是一個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（PWM信號(hào)），該信號(hào)可由FP-GA器件、模擬電路或單片機(jī)產(chǎn)生。比如：人形機(jī)器人的手臂和腿，車(chē)模和航模的方向控制等。

5 智能語(yǔ)音識(shí)別垃圾桶設(shè)計(jì)流程圖（如圖2所示）

圖2 智能語(yǔ)音識(shí)別垃圾桶設(shè)計(jì)流程圖

結(jié)束語(yǔ)：垃圾的處理問(wèn)題一直都是一個(gè)難題，作為垃圾處理的第一道程序，垃圾桶的設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要的課題。垃圾桶一直在更新?lián)Q代，更加智能化更加人性化的設(shè)計(jì)對(duì)于垃圾桶來(lái)說(shuō)是一個(gè)永恒的話題。本文的語(yǔ)音智能垃圾桶設(shè)計(jì)，只是在垃圾桶智能化道路上的一次探索，期待更加智能化的產(chǎn)品推出、普及。